Квантовая механика ставит под сомнение саму идею линейности времени и причинно-следственной связи между событиями.
Вся идея так называемых «мысленных экспериментов» заключается в том, что нельзя наверняка сказать, к каким выводам они могут привести. Для Альберта Эйнштейна результатом стало формулирование теории относительности. Джеймс Кларк Максвелл придумал воображаемого демона, который мог нарушать второй закон термодинамики. А Эрвин Шредингер создал экзистенциально озадаченного кота, который одновременно и мертв, и жив.
Физики используют «мысленные эксперименты», потому что так можно размышлять над идеями, которые не возможно проверить, к примеру, из-за недоступности или даже невероятности необходимых технологий. Хоть это и не то же, что проводить настоящие опыты в лаборатории, но «мысленные эксперименты» могут привести к вполне убедительным выводам.
Хотя все выше перечисленные теоретические «испытания» довольно старые, они до сих пор актуальны и не утратили свою амбициозность. Более того, один такой «мысленный эксперимент» был проведен Каславом Брукнером в Университете Вены. Он ставит под сомнение саму природу фундаментального аспекта вселенной, а именно времени как такового.
Об этом пишет издание The Economist. Одно событие происходят за другим, и нет никакого сомнения, какое из них произошло первым. На этом основывается нормальное понимание времени. Оно вошло в основу теории вероятности, в «мысленном эксперименте» которой использовалось движение двоих часов относительно друг друга. Но если добавить квантовую теорию и подумать над последствиями, появляются сомнения, в каком же порядке все на самом деле происходит.
Первый вывод в эксперименте, к которому пришла группа доктора Брукнера, был опубликован в начале этого года в Proceedings of the National Academy of Sciences. Автором выступил сам австрийский физик и двое его студентов, Эстебан Кастро Руис и Фламиния Гиакомини. В эксперименте речь шла о воображаемых часах исключительной точности. Точность таких часов ограничена принципом неопределенности Вернера Хейзенберга. То есть речь идет о пределе точности оценки пары свойств любой физической системы (например, координат и скорости). Чем точнее известно одно из свойств в паре, тем более не точным будет значение другого.
В случае с воображаемыми чрезвычайно точными часами, парой свойств были время, которое они определяет, и энергия, которая нужна для их функционирования. В соответствии принципу Хейзенберга, чем точнее часы указывают время, тем менее точно можно определить количество энергии, которую он потребляет. Таким образом, энергопотребление часов находится в состоянии, которое называется «квантовой суперпозицией». Потребление энергии одновременно и высокое и малое, точно так же, как и кот Шредингера, одновременно жив и мертв.
С этой точки зрения, квантовая механика вступает в противоречие с теорией относительности. Одним из следствий теории Эйнштейна стало то, что энергия и масса эквивалентны. Это означает, что энергия, как и масса, имеет гравитационное поле. Второе следствие говорит, что гравитация изменяет поток времени. Такое гравитационное замедление времени является хорошо установленным явлением. Атомные часы на разном расстоянии от поверхности Земли рассинхронизируются, потому что они находятся под разным влиянием гравитационных сил.
Доктор Брукнер и его коллеги рассмотрели такую ситуацию для своих гипотетического часов. Квантовая суперпозиция их энергетического состояния означает, что гравитационные эффекты от этой энергии тоже в квантовой суперпозиции. Так же, как и замедление времени, вызванное ее гравитационным эффектом. Более того, второй квантовый эффект еще больше запутывает ситуацию, поскольку он говорит, что другие часы в пределах гравитационного влияния первых, тоже будут в суперпозиции и комплиментарно будут влиять на первые часы. И поскольку часы не в зависимости от специфики своего механизма — это единственный способ измерить время, то сама концепция времени становится очень размытой из-за квантовой механики.
Но и это еще не все. После первого «мысленного эксперимента» доктор Брукнер и его коллеги работают над новым. В нем говорится о последствиях для идеи причинности от суперпозиции гравитационных полей. С позиции законов квантовой механики появляется сомнение в том, что одно событие действительно влечет за собой другое.
Издание пишет, что кроме эквивалентности массы и энергии и гравитационного замедления времени третьим концептом, который вытекает из математики теории относительности, стало нечто, что известно как «метрическое поле». Так же, как общая теория относительности расширяет гравитационную теорию Исаака Ньютона, так и метрическое поле стало релятивистским расширением для ньютоновской идеи гравитационного потенциала, а именно что сила гравитационного взаимодействия между двумя объектами зависит от расстояния, которое их разделяет.
Сила гравитационного взаимодействия в метрическом поле похожим образом зависит от расстояния между объектами. Но поскольку общая теория относительности расценивает время как четвертое измерение на уровне с тремя измерениями в пространстве, чего ньютоновская гравитационная теория не делает, расстояние между объектами в метрическом поле измеряется одновременно во времени и пространстве.
По мнению доктора Брукнера, часы в «мысленном эксперименте» показывают, что метрическое поле тоже субъект для принципа Хейзенберга, а потому и для эффекта суперпозиции. В результате, неопределенными становятся не только координаты в пространстве, но и временные координаты. А потому нельзя сказать точно, какое из событий произошло первым.
Поэтому в новом «мысленном эксперименте» команда собирается проверить этот эффект на гигантском атоме в суперпозиции двух различных энергетических состояний. Ученые попытаются вычислить последствия для такого объекта на предмет причинности, а именно что событие «А» вызывает событие «Б». Австрийские ученые убеждены, что при условии, что энергетические состояния атома существенно отличаются, станет невозможно сказать, что произошло первым, событие «А» или «Б». А значит причинность в таком случае исчезнет.
Как и все предыдущие «мысленные эксперименты», этот последний нельзя проверить лабораторно на данном уровне развития технологий. Впрочем, теоретически его выводы соответствуют законам как квантовой механики, так и общей теории относительности. Однако, в таком случае возникает вопрос. Если «мысленный эксперимент», который привел ученых к теории относительности, основанной на идее линейности времени, теперь помогает современным ученым опровергнуть эту теорию, то могут ли те первые умозаключения считаться надежными?
